氧化鎂濕法煙氣脫硫的工藝優(yōu)化研究

韓 敏

(信陽市環(huán)境監(jiān)測站，河南 信陽 464000)

0 引言

我國很多城市二氧化硫污染十分嚴重,為了響應中共十八大提出的“環(huán)保、高效、可持續(xù)地發(fā)展工業(yè)”的政策，嚴格控制二氧化硫排放已刻不容緩.工業(yè)生產中常用的脫硫技術為煙氣脫硫(FGD)，其中煙氣脫硫技術中的濕法煙氣脫硫應用范圍最廣[1].我國煙氣脫硫技術的研究起步較晚[2-7]，具有脫硫成本高、脫硫副產物出路難、脫硫技術國產化進程慢等缺點[2]，嚴重阻礙了我國現階段的國民經濟發(fā)展，所以借助發(fā)達國家的經驗和技術加快脫硫技術的國產化，積極開發(fā)適合我國國情的脫硫技術[3]成為當務之急.目前，在我國中小型熱電行業(yè)應用較多的是氧化鎂濕法煙氣脫硫技術[8-12].該法主要是利用氧化鎂在吸收塔內和熱水一起吸收工業(yè)煙氣中的SO2和SO3，生成溶解度較大的亞硫酸鎂和硫酸鎂.相比較而言，該技術成熟可靠，脫硫效率高，副產品也有較高的利用價值.

針對目前我國廣泛應用的氧化鎂濕法煙氣脫硫工藝中存在的諸多問題，筆者探索研究了循環(huán)吸收液pH值、煙氣量、SO2濃度、液氣比、鎂硫摩爾比等一系列工藝參數對脫硫效率的影響，以期為氧化鎂濕法煙氣脫硫工藝的深度優(yōu)化提供理論依據.

1 實驗部分

1.1 實驗原理

氧化鎂濕法煙氣脫硫技術的核心是：氧化鎂加水、加熱熟化后進入到吸收塔噴淋層，與煙氣接觸脫除其中的二氧化硫.其主要化學反應過程如下[9].

MgO的熟化：

MgO+H2O→Mg(OH)2

(1)

脫硫塔中Mg(OH)2與SO2氣體和少量SO3氣體的吸收反應：

Mg(OH)2+SO2+2H2O→MgSO3·3H2O

(2)

Mg(OH)2+SO2+5H2O→MgSO3·6H2O

(3)

Mg(OH)2+SO3+6H2O→MgSO4·7H2O

(4)

漿液循環(huán)過程中，MgSO3在酸性條件下與SO2進一步反應：

SO2+MgSO3·3H2O→Mg(HSO3)2+2H2O

(5)

SO2+MgSO3·6H2O→Mg(HSO3)2+5H2O

(6)

漿液中的Mg(OH)2又與Mg(HSO3)2反應：

Mg(OH)2+Mg(HSO3)2+4H2O→2MgSO3·6H2O↓

(7)

Mg(OH)2+Mg(HSO3)2+H2O→2MgSO3·3H2O↓

(8)

氧化反應：

(9)

1.2 實驗方案設計

省內某火電廠引進日本的氧化鎂濕法煙氣脫硫技術，建成2×130 t·h-1鍋爐.其中主要的脫硫裝置有：氫氧化鎂儲罐、氫氧化鎂供給泵、預冷器、脫硫吸收塔、除霧器、循環(huán)泵、循環(huán)槽鼓風機、自來水加壓泵、循環(huán)槽攪拌機、電除塵器、引風機等.

該廠安裝了兩臺130 t·h-1煤粉鍋爐，設計所用煤種的含硫量為0.50%，配套脫硫裝置的脫硫效率為96%，處理煙氣能力為572 516 m3·h-1(標況下).脫硫系統接入點處煙氣參數如表1所示.

表1 脫硫系統接入點處煙氣參數Tab. 1 Flue gas’s technical specifications of FGD system

鍋爐氣首先經過預處理裝置，去除99%以上的煙塵和氯化氫、氟化氫等氣體.經過預處理的煙氣從底部進入脫硫吸收塔，經冷卻后與塔頂噴淋而下的氫氧化鎂循環(huán)吸收劑逆流接觸并反應，生成副產物亞硫酸鎂或硫酸鎂.副產物經氧化處理生成穩(wěn)定的硫酸鎂，含有大量水蒸氣的煙氣經除霧器處理后直接由煙囪放空.

2 結果與討論

2.1 單因素實驗研究

2.1.1 循環(huán)吸收液pH對脫硫效率的影響

結合前期的氧化鎂濕法煙氣脫硫的實驗原理研究可知，該工藝中的循環(huán)吸收劑漿液中的主要成分是Mg(OH)2.循環(huán)吸收漿液中Mg(OH)2濃度愈高，則消耗煙氣中的SO2愈多，脫硫效果愈好，但此時循環(huán)吸收液的pH值就愈高，同時循環(huán)吸收漿液中過量的Mg(OH)2對脫硫工藝中的設備和管線會造成一定的磨損，且循環(huán)吸收液中的脫硫副產物MgSO3的溶解度下降，在一些流動不暢的地方會造成系統結垢和堵塞.若循環(huán)吸收漿液中Mg(OH)2濃度太低，則直接造成脫硫效率下降，致使該工藝的脫硫成本增加.所以，循環(huán)吸收液的pH值是影響脫硫效率的重要參數之一.為了尋求在固定循環(huán)吸收劑流量和鍋爐負荷的情況下，可以維持循環(huán)吸收劑較高的脫硫效率的最佳pH值，筆者通過改變循環(huán)吸收液的補給量，考察循環(huán)吸收液的pH值與其脫硫效率的關系.圖1給出了含硫量為0.5%、負荷為130 t·h-1的兩臺鍋爐工作時循環(huán)吸收劑漿液的pH值與脫硫效率的關系.

圖1 循環(huán)吸收液的pH值與脫硫效率的關系曲線Fig. 1 The relation between the absorption liquid pH value and the desulphurization efficiency

由圖1可知，在pH值很小的情況下，脫硫效率很低；隨著pH值的增大，脫硫效率也隨之增大；當pH值大于4.5時，脫硫效率隨pH值的變化率減小，此時再增大pH值，脫硫效率也不會有很大的提高.有實驗室實驗可知[13]，當吸收液的pH值小于6.0時能夠保證不結垢.因此，為保證脫硫效率的和脫硫系統的穩(wěn)定、運行可靠，本實驗得出的結果是：吸收液的pH值應控制在4.5～6.0之間，其中最佳pH值為5.5.

2.1.2 煙氣量對脫硫效率的影響

從理論上來說，循環(huán)吸收液的流量一定時，進入脫硫塔的煙氣量愈大，脫硫系統要承受的負荷愈大.這主要是因為進入脫硫塔的煙氣量愈大，塔內的SO2就愈多，要保持脫硫效率就需要更大的液氣接觸面積.所以，為了考察在循環(huán)吸收液的流量一定時，進入脫硫塔的煙氣量與脫硫效率的關系，利用轉移鍋爐的負荷來控制進入脫硫塔的煙氣量，含硫量為0.5%，兩臺鍋爐運行時煙氣量與脫硫效率的關系如圖2所示.

圖2 煙氣量與脫硫效率的關系曲線Fig. 2 The relation between the flue-gas flow rate and the desulphurization efficiency

由圖2可知，當循環(huán)吸收液流量一定時，脫硫效率隨著煙氣量的增大呈下降趨勢.煙氣量較小時，脫硫效率受煙氣量的影響較大，這是因為隨著煙氣量的增大，加速了脫硫塔內煙氣的流動，增加了單位吸收液內的氣液傳質面積，從而提高了系統的脫硫效率.煙氣量較大時，煙氣中的SO2濃度一定時，系統的脫硫負荷增大，致使脫硫效率下降.

2.1.3 煙氣中SO2濃度對脫硫效率的影響

從以上理論分析可知，當塔內循環(huán)吸收液的流量、pH值，進入脫硫塔的煙氣流量都固定時，該系統的脫硫效率與煙氣中SO2的濃度近似成反比.改變塔內煙氣入口處SO2的濃度，考察其與系統脫硫效率的關系如圖3所示.

圖3 煙氣中SO2濃度與脫硫效率的關系曲線Fig. 3 The relation between the inlet concentration of SO2 and the desulphurization efficiency

由圖3可知，一定的塔內循環(huán)吸收液的流量、pH值及進入脫硫塔的煙氣流量下，隨著煙氣中SO2的濃度增大，脫硫效率呈直線下降.這是因為當塔內循環(huán)吸收液的流量、pH值及進入脫硫塔的煙氣流量都一定時，煙氣中SO2的濃度愈高，系統的脫硫負荷愈大，從而導致脫硫效率的大幅下降.實驗結果顯示，在保證足夠的塔內傳質推動力的情況下，煙氣中SO2的濃度愈低，系統的脫硫效率愈高.在本實驗方案中設計的SO2的濃度范圍內，SO2的濃度為1000 mg·m-3時，脫硫效率最高.

2.1.4 液氣比對脫硫效率的影響

該脫硫工藝系統的液氣比是循環(huán)吸收液容積流量(L·h-1)與脫硫處理的煙氣量(m3·h-1)之比.圖4反映了煤的含硫量為0.5%，循環(huán)吸收液的流量、pH值，煙氣流量及煙氣中SO2的濃度等參數一定的條件下，液氣比與脫硫效率之間的關系特征.

圖4 液氣比與脫硫效率的關系曲線Fig. 4 The relation between the liquid-gas ratio and the desulphurization efficiency

由圖4可知，隨著液氣比的增大，脫硫效率一直增大，但增大的速率越來越小.在液氣較小時，脫硫效率受液氣比的影響較大，這是因為脫硫塔內液氣比的增大加大了傳質面積，提高了化學反應速率，從而極大地提高了脫硫效率.隨著液氣比的增大，脫硫效率增長變得緩慢.這表現出脫硫效率與液氣比之間具有飽和特征.在液氣比到達4.2后，脫硫效率隨著液氣比的增長量很小，可認為其已達到飽和，由此可以得出：在鎂法煙氣脫硫時，液氣比保持在4.2到5.0之間為最佳.

2.1.5 Mg2+/S(鎂硫摩爾比)對脫硫效率的影響

控制硫鎂比實際上是控制循環(huán)吸收液中氫氧化鎂的濃度[14-15]，鎂硫摩爾比與脫硫效率的關系如圖5所示.

圖5 Mg2+/S與脫硫效率的關系曲線Fig. 5 The relation between the Mg2+/S and the desulphurization efficiency

如圖5所示，該系統的脫硫效率隨鎂硫摩爾比的增大而增大， 且增大的速率逐漸變緩.由脫硫的化學反應過程中的化學計量系數比可知，鎂硫摩爾比小于1時，脫硫塔內參與反應的SO2過量，此時，系統的脫硫效率決定于循環(huán)吸收液的反應量；鎂硫摩爾比大于1時，系統中循環(huán)吸收液過量，吸收液利用率下降.為了提高脫硫系統運行的經濟性及確保需要的脫硫效率，由圖5可知，可控制系統的鎂硫摩爾比在1.1～1.4，最佳鎂硫摩爾比為1.2.

表2 因素水平表Tab. 2 Factors and levels

表3 實驗方案及實驗結果分析Tab. 3 Experimental program and interpretation

2.2 正交試驗研究

該實驗的目的是提高脫硫系統的脫硫效率并選取最優(yōu)的脫硫條件，實驗的指標為單指標脫硫效率，因素和水平如表2所示.該實驗為4水平實驗，一共有5個因素，可應用L16(45)正交表，正交試驗方案及實驗結果分析如表3所示.

通過直觀分析得到最優(yōu)的脫硫方案是A2B1C2D3E4，即循環(huán)吸收液pH值為5.0，煙氣量為325 000 m3·h-1，煙氣中SO2濃度為1100 mg·m-3，液氣比為4.7，鎂硫摩爾比為1.4.此時，脫硫效率為95.8%.

3 結論

通過單因素實驗研究得出了各個因素對脫硫效率的影響.脫硫效率隨循環(huán)吸收液pH值、液氣比、鎂硫摩爾比的增大而增大；隨煙氣量及煙氣中SO2濃度的增大而減小.通過正交試驗研究確定出了影響脫硫效率的主次因素，依次為：鎂硫摩爾比、煙氣量、循環(huán)吸收液pH值、煙氣中SO2濃度、液氣比；同時也得出了最優(yōu)的脫硫方案：循環(huán)吸收液pH值為5.0，煙氣量為325 000 m3·h-1，煙氣中SO2濃度為1100 mg·m-3，液氣比為4.7，鎂硫摩爾比為1.4.此時，該系統的脫硫效率高達95.8%.